汉北河中下游流域洪水风险分析

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洪水灾害一直是困扰人类社会发展重要问题,近年来随着气候的变化,极端洪水事件频繁出现,导致灾害和损失加重,洪水风险的分析也备受关注。其中,在汉北平原湖区洪涝灾害为主要大灾,汉北河上受山丘区山洪压力,下受汉江、长江高水位顶托,大洪水来临时,沿程水位普遍超过设计水位,沿岸防洪形势十分紧张。本文以湖北省汉北河中下游流域研究对象,分别从洪水量级遭遇特征、研究区洪水漫溢情况模拟以及风险传递的贝叶斯网络三个方面对研究区的洪水风险做了综合研究分析。在洪水特征分析中,利用Copula函数建立了干支流年最大洪峰流量的联合分布,获取量级遭遇特征和概率;在研究区堤防漫溢风险分析中,基于堤防脆弱性曲线利用一维水动力学对研究区河段进行水位模拟,分析堤段漫溃风险和计算相应分区溢洪量;最后,基于洪水量级的遭遇概率和一维水动力学下模拟下的堤防风险概率,将其输入作为贝叶斯网络条件概率,建立了汉北河中下游堤防漫溃和分区风险等级的贝叶斯网络,进行各种情景下的风险分析和风险传递的研究。本文主要研究结论如下:
  1)在阿基米德Copula族里FrankCopula为干支流年最大洪峰流量的最优联合分布函数,参数为5.553。联合分布特征表明,干、支流较大量级的洪水遭遇的概率随着量级增大而减小。干支流洪水的量级遭遇本文贝叶斯网络的干、支流节点概率表提供了参数。
  2)获取汉北河中下游堤防的脆弱性曲线,发现对于水位超高越多,堤防的溃堤风险越大,其中汉北河左堤较右堤更容易发生溃堤。同时,从堤段1到堤段3水位临界超高值有所增大。将堤防情况融入汉北河中下游洪水过程的一维水动力学模拟,分别模拟了三种情景下的洪水情景,即在不考虑漫溃情景、只发生漫堤情景以及溃堤情景,计算了左右岸水位漫堤断面数及溃堤风险。发现量级较大洪水在左右岸大部分断面均有水位超高情景,且左堤更为严重;而在考虑了漫堤溢流的情景下,水位超高断面明显减少,在此基础上,各堤段部分断面虽具有一定溃堤风险,但风险概率最高不超过0.7。溢洪量的计算中,溃堤情景的溢流量明显较只漫堤情景多,而且更易发生溃堤风险的堤段3左岸有更大的洪水溢流量。另外,也揭示了在分区1和分区2出现较大溢洪量时,分区3的溢洪量风险相应有所减小。
  3)分别从堤防漫溃风险和分区淹没风险考虑,建立研究区洪水风险的贝叶斯网络。分别从先验和后验两种情景分析了各堤段的风险,右堤整体漫堤风险较小,无溃堤风险,左堤漫溃风险则较大。其中,堤段1左岸在左堤中漫溃风险较小,更容易受2008年干流型洪水影响,堤段2左岸和堤段3左岸更容易受1983年支流型洪水影响,其中堤段3左岸是所有堤段中溃堤风险最高的堤段。后验分析中,堤段2左岸状态改变其他节点风险也发生变化,同时也反映了堤防漫溃风险转移。在分区淹没风险分析中,分区3相对于其他分区有更大的概率发生高风险或中等风险。调节干流发生3.33%的洪水情景,1983和2008两种年型洪水在此频率下各分区的风险不尽相同,其中,1983年型洪水对上游分区1的风险要较2008年小,但对分区3的淹没风险却较大,且一定产生溢洪量;反观2008年型下的分区3风险,大概率表现为无风险,表明了2008年型洪水更容易在上游分区产生溢洪量,发生了风险转移。这种可以任意调节各节点状态为输入的贝叶斯网络可以快速分析不同情景下的堤段漫溃和分区淹没风险,为汉北河中下游的洪水风险分析提供了参考。
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